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智能压电摩擦阻尼器的控制理论与试验研究

李军  
【摘要】:普通摩擦阻尼器是一种常用的被动消能减震装置。设定在大震作用下能滑动的普通摩擦耗能器,在小震作用下却不一定能滑动,所以不能起到在小震作用下的耗能减震作用:与此相反,小震作用下设定滑动的摩擦耗能器,因固定的摩擦力太小,导致大震作用下的减震能力不够。然而,智能压电摩擦阻尼器通过运用压电陶瓷驱动器具有将电能转变为机械能的能力,可以实时地改变摩擦接触面上的正压力,调节阻尼器的摩擦起滑力,改善摩擦阻尼器耗能能力。 本文以研制一种形式新颖且适合于在建筑结构消能减震中得到应用的智能压电摩擦阻尼器及发展和优化控制可调摩擦阻尼器的算法为目的,在以下几个方面做了些工作或得到了新的认识和发展: 1) 阐述了智能结构系统的概念,回顾了压电材料在工程结构振动主动控制装置、半主动控制装置、混合控制装置和摩擦耗能阻尼器中的发展历程及应用现状。 2) 以近断层地面运动的特点为背景,通过与以阻尼器位移响应为反馈信号的算法进行对比分析,得出了对位于近断层、采用可调摩擦阻尼器为消能减震手段的结构,宜采用摩擦阻尼器所在楼层的速度响应为反馈信号,来控制可调摩擦阻尼器的结论。 3) 针对次优Bang-Bang控制方法的缺点,通过引入类似于双曲正切函数的一类连续函数,提出了改进的次优Bang-Bang控制算法的一种新方法。以此为基础,给出了调节半主动摩擦阻尼器的策略。并采用遗传算法对控制器和阻尼器的中的参数进行了优化选取,分析了引入的连续函数对控制效果的影响,检验了文中所涉及到的控制方法对地震动强度变化的适应能力。 4) 以文中涉及到的控制算法为基础,建立了多维地震动作用下,应用半主动摩擦阻尼器对建筑结构进行消能减震的Simulink仿真模型。通过实时接口,进一步将其转变为实时(在线)模型,使得算法能够在Dspace控制器单板系统中实时运行。 5) 设计了一种以SBC型普通摩擦阻尼器为基体,结合管状压电陶瓷驱动器的新型可调摩擦阻尼器。通过试验,得出了施加给压电陶瓷驱动器的电压与阻尼器摩擦接触面上产生的正压力的数学关系。 6) 结合结构性能设计的思想,对消能减震设计的思路进行了初步的探讨,展望了结构振动控制学科的发展前景和智能结构未来的发展方向。


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